초록 ▼

원자력 에너지의 중요성이 높아지고 있는 가운데 영광 3호기의 구조결함과 후쿠시마 원전 사고로 인해 원자력 안전성과 신뢰도가 원자력 에너지를 만들고 사용하는데 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 본 연구팀은 원자로의 안전성을 높이기 위해 연료봉과 크래딩, 방사능 폐기물 탱크의 코팅재료로 응용될 수 있는 원자로 구조재료를 개발 및 연구하였다. 본 연구팀에서 제시하는 금속-그래핀 다중층은 고강도, 이온 조사시 결함을 흡수하는 자가치유현상, 방사선, 부식 내구성을 지니고 있기 때문에 원자로 구재재료로 적합하다. 금속-그래핀 다중층을 스퍼터와 C

원자력 에너지의 중요성이 높아지고 있는 가운데 영광 3호기의 구조결함과 후쿠시마 원전 사고로 인해 원자력 안전성과 신뢰도가 원자력 에너지를 만들고 사용하는데 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 본 연구팀은 원자로의 안전성을 높이기 위해 연료봉과 크래딩, 방사능 폐기물 탱크의 코팅재료로 응용될 수 있는 원자로 구조재료를 개발 및 연구하였다. 본 연구팀에서 제시하는 금속-그래핀 다중층은 고강도, 이온 조사시 결함을 흡수하는 자가치유현상, 방사선, 부식 내구성을 지니고 있기 때문에 원자로 구재재료로 적합하다. 금속-그래핀 다중층을 스퍼터와 CVD 방법으로 제작한 후 나노기둥 미세압축 실험으로 기계적 특성을 평가하고, double cantilever beam 실험으로 접합 에너지를 측정하였다. V-그래핀과 V-5wt%Cr 합금-그래핀 두 종류의 다중층을 다양한 층간간경으로 제작하였다. 방사선, 부식 저항성을 높혀 주는 Cr을 첨가한 합금을 연구하였다. 기계적 특성 측정 결과 층간 간격이 줄어들수록 강도의 증가를 확인했고, V-그래핀과 V-5wt%Cr합금-그래핀의 가장 적은 층간간격에서 각각 4.8 GPa, 5.0GPa의 5% flow stress를 얻었다. V/그래핀과 V-5wt%Cr합금/그래핀의 접합 에너지는 각각 5.72 Jm^-2, 3.4 Jm^-2 로 측정 되었다. 이 값은 van der Waals force 에 의한 graphene metal adhesion 보다 큰 값으로 기계적 신뢰성이 매우 향상되었다. 또한 원자력 구조재료로써의 가능성을 평가하기 위해 헬륨이온 조사 실험을 하였다. 그 결과 이온 조사에 의한 강도 강화효과를 확인하였고, 그래핀이 포함된 다중층에서는 이온조사에 따른 강화 비율이 낮았다. V-5wt%Cr 합금-그래핀 샘플의 경우 초기 강도 증가뿐만 아니라 ductility가 유지되는 현상도 확인했다. 이는 그래핀 층에서 헬륨 이온의 투과를 막아주기 때문에 방사선 내구성이 향상된 것으로 판단된다.

Abstract ▼

In order to meet the energy needs of our current and future society, the nuclear energy has to play a key role in addition to the renewable energy sources. Since the Fukushima nuclear accident and recent report on defective structure material in Korea, the development of new materials to enhance the

In order to meet the energy needs of our current and future society, the nuclear energy has to play a key role in addition to the renewable energy sources. Since the Fukushima nuclear accident and recent report on defective structure material in Korea, the development of new materials to enhance the safety and reliability of nuclear reactors are of interest all around the world. Our research team developed a new nuclear structural material for potential applications as coatings for the cladding as well as the radiation waste package. Our proposed metal-graphene multilayer is expected to have ultra high strength, ability to absorb defects during radiation (self-healing effect), and corrosion resistance. Metal-graphene nanolayer composite was synthesized with sputter deposition of metal and CVD growth of graphene and the mechanical properties and adhesion energies were first evaluated. Two different cases of V-graphene and V with Cr addition V-5wt%Cr alloy-graphene samples were prepared with varied repeat layer thicknesses. The addition of Cr was considered since Cr is known to improve radiation and corrosion resistance. From the mechanical testing results, it is striking to note that the strengths are extremely high and that the flow stresses are systematically increasing with the reduction in the metal layer spacings, where the V- and V-5wt%Cr alloy-graphene showed a 5% flow stress of 4.8 GPa and 5.0 GPa, respectively, for the smallest repeat layer spacings. The adhesion energy of V- and V-5wt%Cr alloy-graphene is 5.72 Jm^-2, 3.4 Jm^-2 respectively. The measured adhesion is still higher than the van der Waals based graphene-metal adhesion, therefore, the mechanical reliability of the graphene-V interface is highly improved. V-graphene multilayer was first evaluated for radiation resistance using the He ion irradiation tests. Irradiated specimen has higher strength than non-irradiated specimen due to radiation hardening; however, the degree of radiation hardening was lower with inclusion of graphene. The V-5wt%Cr alloy-graphene specimen had higher initial strength, but the degree of radiation damage and loss in ductility were minimized. The graphene is expected to provide impermeable barrier to He that, therefore, resulted in enhanced radiation resistance.

목차 Contents

• EEWS Research 2013 Final Report ... 1
• Summary (English) ... 2
• 국문 요약문 ... 4
• 1. Research Purpose ... 5
• 2. Research Target and Achievement ... 5
• 3. Research Method ... 6
• 4. Research Results ... 6
• (1) Outcome results ... 6
• 5. Research Outcomes ... 17
• (1) Publication ... 17
• (2) Conference presentation ... 18
• (3) Patents ... 18
• (2) Creation of New Big Project ... 18
• 1. 연구목적 ... 19
• 2. 연구목표와 성과 ... 19
• 3. 연구방법 ... 20
• 4. 연구결과 및 고찰 ... 20
• (1) 연구결과 ... 20
• 5. 연구결과물 발표실적 ... 29
• (1) 학회발표 ... 29
• (2) 논문 ... 30
• (3) 특허 ... 30
• (4) 대형 신규과제 발굴의 기여 ... 30
• 끝페이지 ... 30